用Modbus協議實現DCS與PLC之間的串行通訊

1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/153848.htm

萬立氧空分裝置是2008年遼化公司20萬噸環氧乙烷/乙二醇改造的配套項目,該裝置儀控系統採用了先進的Honeywell PKS集散控制系統來實現對整個裝置的各系統及主要設備的工藝參數的監控,並實現各主要操作閥門、切換閥門的自動控制或遙控操作，以及必要 的聯鎖保護措施。氮壓機選用Ingersoll—rand的CENTAC 3C70MX5N2型壓縮機,該壓縮機配置獨立的控制系統CM C控制器,為了有效的監控氮壓機的運行參數,我們利用Modbus協議實現了Honeywell PKS集散系統與Ingersoll—rand CM C可編程序控制器之間串行通訊。

2 Modbus協議簡介

Modbus是Modicon公司於1 979年提出的一種通信協議,經過多年的實際應用,已經成為一種應用於工業 控制器上的標準通信協議。有了它,不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡,進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構,而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了控制器請求訪問其它設備的過程，以及怎樣偵測錯誤並記錄，它制定了消 息域格局和內容的公共格式[5]。當在Modbus網絡上通 信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地 址,識別按地址發來的消息,決定要產生何種行動。如果需要回應,控制器將生成反饋信息並用Modbus協議發出。標準的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口,它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控制器能直接或經由MOdem組網。

2.1 Modbus報文

如圖1所示,Modbus通信使用主從技術,即僅設備 (主設備)能初始化傳輸(查詢)。其它設備(從設備)根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果 單獨通信，從設備返回消息作為回應，如果是以廣播方式查詢的，則不作任何回應。Modbus協議建立主設備查詢的格式：設備(或廣播)地址、功能代碼、所有要 發送的數據、錯誤檢測域。從設備回應消息也由Modbus協議構成，包括確認要行動的域、任何要返回 的數據、和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發生錯誤，或從設備不能執行其命令，從設備將建立錯誤消息 並把它作為回應發送出去。

2.2 Modbus傳輸I方式

Modbus協議有兩種傳輸模式ASCII(美國標準信息交換代碼)或RTU(遠程終端單元)。它定義了在這些網絡上連續傳輸的消息段的每一位,以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。用戶選擇想要的模式,包括串口信參數(波特率、校驗方式等),在配置每個控制器的時候,在一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。ASCII模式通信的主要優點是字符發送的時間間隔可達到1秒而不產生錯誤。RTU模式通信的主要優點是：在同樣的波特率下,可比ASCII方式傳送更多的數據。

2.3錯誤檢測方法

標準的Modbus串行網絡採用兩種錯誤檢測方法。奇偶校驗對每個字符都可用，幀檢測(LRC或CRC)應用 於整個消息。它們都是在消息發送前由主設備產生的,從設備在接收過程中檢測每個字符和整個消息幀。

用戶要給主設備配置一預先定義的超時時間間隔，這個時間間隔要足夠長，以使任何從設備都能作為 正常反應。如果從設備測到一傳輸錯誤，消息將不會 接收，也不會向主設備作出回應。這樣超時事件將觸 發主設備來處理錯誤。發往不存在的從設備的地址也 會產生超時。

3 CMC控制器

CM C控制器是Ingersoll—rand CENTA C 3C70MX5N2型壓縮機隨機配置的可編程序控制器，用來管理氮壓機各種壓力的控制和監控功能，以及控制輔 助設備，如主電機啟動器，潤滑油加熱器和預潤滑油泵。 其功能如下：

·多功能LED顯示屏顯示數據和工作狀態。

·完成多種性能控制：卸載，調製和自動一雙重工 作方式。

·先進的喘振監測與控制。

·高電流限制，用於主驅動電機保護。

·快速指示和事件紀錄，有助於確定壓縮機跳閘的 根本原因。

CM C控制器提供RS422/RS485串行通訊接口，通 過MODBUS協議與具有RS422/485埠的系列裝置通 信，以適應遠程遙控和監控的需要。

利用MOdbus協議www.cechina.cn，我們採用RTU通訊模式，把 CM C控制器作為從設備，設備地址設置為2，通訊波特 率為9600，校驗方式為奇校驗，通訊方式為全雙工。

4 PKS系統的通訊功能

PKS系統是Honeywell公司推出的新一代DCS系 統，全稱為Experion Process Knowledge Solution System，它支持多種類型的控制器通訊，例如Modicon PLCS，Honeywell 9000系列和Alien—Bradley，並可以靈 活的採用多種連接方式。如果控制器本身帶網絡接口，可以直接連接到網絡上，如果控制器帶有串口，可以通 過「終端服務」(terminal sever)連接到網絡上。一個「終 端服務」允許多個控制器同時連接到網絡上，並提供多種的連接接口RS一232，RS-422，RS一485。所謂「終端 服務」其實質就是Modbos協議。我們利用「終端服務」 配置方式實現了Honeywell PKS集散系統與Ingersollrand CMC可編程序控制器之間串行通訊。如圖2所示。

4.1硬體說明

串行接口模件(SIM)是安裝在PKS系統標準卡槽上的雙寬度I/O模件，它的功能是實現通過FTA(現場端子 板)連接串行接口模件(SIM)的現場設備與PKS控制器之間通訊的橋梁。串行接口模件可以提供與單FTA電源 適配器連接的兩個FTA通訊的兩個串口的雙向通訊接 口，它不存儲和保持任何現場I/O設備的組態數據和實時數據，它只在與它相連接的現場設備與控制器之間傳送數據參數。

F T A採用插接模件根據現場設備的需要選用指定的串行接口，共有兩種標準的FTA產品。

·MU—TSIMl2 Modbus型FTA提供點對點RTU EIA一232(RS一232)或EIA一422/485(RS-422/485)多點通 訊接口。

·MU—TSIAl2 Allen—Bradley(A—B)型FTA提供一 個EIA一232(RS-232)通訊接口用於DF 1通訊協議的A— BPLC-2，PLC-3CONTROL ENGINEERING China版權所有，PLC-5等現場設備。

在此我們選用第一種產品

一個SIM卡可帶兩個FTA接線端子板(即FTA A， FTA B圖2)，由單獨電源模塊供電，每個FTA接線端子 板通過屏蔽雙絞通訊線與第三方設備連接。需要注意 各通訊設備以總線方式接入(即相互串連起來最後接人 FTA端子上)，當通訊距離超過1 00米或幹擾很強時兩端 均應加上120歐姆電阻，連接第三方通訊設備到FTA端 子的最大接線長度不應超過300米，如超過300米應採 用信號中繼器或放大器，每個FTA接線端子板最多可接 入的設備為1 5個。

4.2軟體說明

如圖3所示。PKS系統組態工具中提供一種SIM I/ O模件功能塊來實現將一個S I M組態並分配給一個控 制器。當SIM功能塊一旦指派並下裝到指定的控制器， SIM和控制器之間便可以建立通訊關係，但這並不意味 著SIM和現場設備也建立了通訊關係，為了與現場設備 建立起通訊關係必須還要組態、指派下裝串行接口通道陣列功能塊(SI)到CM(控制模件)。SI陣列通道功能塊有三種：

Numeric(SINUMARRCH)：接收/發送數值型量，包 括整數、浮點數;

Flag(SIFLAGARRCH)：接收/發送布爾量，即標誌位;

Text(SITEXTARRCH)：接收/發送字符型量。

4.3組態說明(以SlNUMARRCH功能塊為例)

(1)每個SIM卡有32個軟通道(Channel)，其中0～1 5通道與連接在FTA「A」板上的第三方設備的進行通訊，而16～31通道與通道與連接在FTA「B」板上的第三方設備的進行通訊。當只有1個FTA板時，那麼這塊FTA板必須配置成FTA「A」使用(即按1圖將FTA 接到Power Adapter的「ChannelA」上)，且只能使用 0～1 5通道。

(2) Control Builder中SI通訊功能塊(軟通道類 型)有三種：

對於一個「SINUMARR CH」功能塊(即一個軟通道)，可接收/發送最多16個32位浮點數或32個16位 整型數。

(3)組態

具體組態見圖4。

Serial Link Device Address：為設備地址，即 Modbus ID;

Starting Element Index：為接收/發送數據的起始地址，此為第三方廠家提供的，是modbus通訊寄存器首地址，1個寄存器地址存儲一個1 6位二進位數;

Number of Numeric Value：接收/發送的數據 的個數。

其中Starting Element Index的設置也包含了接收/ 發送數據的類型控制工程網版權所有，這是通過其最高位的數字來識別的(如 圖4中的Starting Element Index設置為20020，其最高 位數字為2，表示接收/發送的數據類型為可讀寫的3 2 位浮點數)。

這裡需要注意的是一個S I N U M A R R C H塊 (SIFLAGARRCH或SITEXTARRCH)只能設置為一種數 據類型，且接收/發送數據的地址必須是連續的。故 Number。of Numeric Value這一項設置的值是從起始 地址開始連續存儲的數據的個數;如果第三方設備發 送/接收數據的Modbus存儲地址是放在不連續的幾個 地址段上，那麼就必須用多個SINUMARRCH塊來接收 不同地址段的數據。

圖4中右側的Auxiliary Config Data的設置，僅需要配置第3和4行即可，如圖4中紅圈所示(圖4紅圈中 配置表示採用串行485通訊方式、通訊波特率為9600、 校驗方式為奇校驗)。

5 結束語

目前，石油天然氣生產裝置中，普遍存在著DCS與 其他多個專用控制系統同時使用的情況，這些專用控制 系統包括PL C、數據採集器和各種智能儀表。若將多個 系統融合成一個整體，使所有監視、控制都在D CS上進 行，就涉及D C S與其他專用控制系統的通訊問題。目前，Modbus協議是應用最為廣泛的一種形式，需特別注 意的是：在MOdbuS網絡上傳輸方式和串行參數(波特 率、校驗方式等)對各裝置的設置必須是相同的。